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前番小弟A320眼冒金星,今有大哥A380鼻青脸肿,小小冰雹惹不起

文章来源:   发布时间:2019-05-17 09:54:00   点击量:0

1A380冰雹撞击事故

    今日(2019年05月26日)中午,受北京雷雨天气影响,南航CZ3101航班(广州飞往北京)一架A380客机降落过程中遭冰雹撞击,挡风玻璃破裂,雷达罩受损。机组按手册程序处置,飞机已于上午11时48分安全降落北京首都机场,所幸未造成严重后果。


A380遭冰雹撞击

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    无独有偶,2018年7月26日,天津航空A320/B1052飞机执行GS7865(天津--海口)航班,途经郑州上空遭遇雷雨天气,绕飞雷雨过程中同样受到冰雹袭击,左右风挡玻璃外层多处开裂。该飞机于17时53分成功迫降武汉,无人员伤亡。

    前番小弟A320被砸得眼冒金星,今天大哥A380又被撞得鼻青脸肿,小小冰雹简直就是空中“平头哥”,实在是惹不起。

    下面,让我们听听中国飞机强度研究所相关专家对该次事件的专业解读:

2冰雹是怎么形成的

    风中有朵雨做的云,云中躲着雹匪一大群

    冰雹形成是一个复杂的过程,冰雹降落往往伴随着 “雷暴”天气。冰雹是从发展强盛的积雨云中降落的直径达5mm以上的固态降水物,有球状、锥状及其他不规则形状。冰雹云个体高大,像耸立的高山,由雷雨云进一步发展而成。冰雹在对流层中形成,当水汽随气流上升遇冷凝结成小水滴,随高度增加温度继续降低,达到零度以下时,水滴凝结成冰粒,在它上升运动过程中,并会吸附其周围小冰粒或水滴长大,直到重量无法为上升气流所承载时,就会下降;若遇强大上升气流再被抬升,表面则又凝结成冰,如此反复进行如滚雪球般,体积越来越大,直到重量大于气流升力与空气浮力之和,就会降落形成冰雹。

    冰雹形成时间很短,一般仅为5~10分钟,直径一般为5mm ~ 50mm,最大可达300mm以上。

   最大冰雹直径可达300mm

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图3

3飞机能否探测到前方冰雹降雹灾害很难防?肉眼雷达全变盲!

    天空中有非常多天气现象,光线也很强烈,虽然飞行员视力都不错,但是依然很难看见比较小的物体。况且冰雹是相对飞机作高速运动的,因而用肉眼看到冰雹飞过来并立马做出反应这种情况几乎是不可能的。

    而机载气象雷达也只能探测到与“水汽”相关的天气现象,比如大雨,湿雪,厚厚的云层等等这些才能被雷达观测到。这就决定了机载雷达并不能给飞行员一个前方是否有冰雹的准确报告。飞行员只能根据回波和边缘轮廓,结合专业知识和经验进行主观判断。最新的雷达技术也只能根据气象学模型“预测”、而非探测到冰雹的存在。即使是具备冰雹预测功能的最新型雷达,依然还是无法保证不遗漏任何冰雹的存在。

    肉眼看不到,雷达扫描不出来,所以飞机在天上要完全规避冰雹的袭击,那几乎是不可能的。

4冰雹撞击安全如何设计

    抗撞设计怎么搞?防护缓冲加疏导!

    尽管民用飞机在航线选择上尽量避免气象条件较差的、易出现冰雹的区域,但航行中遇到冰雹袭击有时却是不可避免的。冰雹灾害因其突发性强、来势猛、数量多、强度大的特征,导致飞机结构破坏、影响飞行安全性,威胁成员安全并可能造成经济损失。

    一般而言,风挡处、机头鼻锥、机翼前缘、发动机进气道、油箱、雷达整流罩、驾驶舱门窗等处迎风面积大,最容易受到损坏,且各部分破坏模式不尽相同。如挡风、舱门窗,猛烈的冰雹撞击能够在较短时间内使这些部位产生裂纹,在极端情况下甚至可以击穿玻璃、危及生命安全。对于机头鼻锥处,高强度的大量冰雹撞击,可能直接导致机头的错位甚至直接断裂脱落。在同一次冰雹事故中,多种损伤形式可能集中出现。

    同飞鸟撞击相比,冰雹撞击有如下三个特点:

    一是冰雹撞击必是小质量体群体撞击;

    二是冰雹刚度较鸟体大,相同速度和质量情况下,撞击载荷更高;

    三是冰雹撞击威胁空域更广,在0~10km高度范围内均可发生撞击。

    当前民机抗冰雹撞击设计有三种主要思路:

    对于内部电子元件和管路结构,提高蒙皮的抗冲击能力或前端设计防护结构,以避免或减轻冰雹等离散源撞击威胁;

    采用蜂窝等吸能结构填充,减缓撞击载荷;

    采用能量疏导方式,将撞击动能分流导出,降低结构失效破坏风险。

5冰雹撞击研究手段有哪些

    冰撞研究是苦活,实验仿真相结合!

    近年来,无论是美国的FAR,欧洲的JAR,还是我国的CCAR都对近代飞机结构提出专门的要求,以保证结构受到大量冰雹撞击后仍能保持其安全飞行和着陆的功能。1984年FAA在的咨询通报《复合材料飞机结构(AC20-107A)》中,对包括冰雹在内的离散源撞击飞机结构的冲击安全问题有专门的规定,所有即将投入商业运行的飞机的设计必须严格满足相应的离散源撞击指标。中国民用航空规章第25部《运输类飞机适航标准》 [CCAR-25R4] 也规定了结构元件不能因包括冰雹在内的离散源损伤而失效。

    冰雹与靶体碰撞的微观过程发生在区间很小的毫秒级时段内,冲击特性上更多体现的是非线性的复杂冲击动力学问题。由于相对速度较高,所以靶体在碰撞中将承受强动载荷的冲击,需采用冲击动力学分析手段,才能够更准确客观地对这个问题进行相对准确的分析。

    目前研究冰雹的手段主要有工程算法、数值分析和物理实验三种,数值分析与物理实验成为研究的主流手段。

    冰雹撞击问题研究的复杂性和技术难点体现在如下三个方面:

    冰雹从与靶体的接触到最后破碎变形,具有大变形、几何非线性的特点,冰雹材料本身因其复杂晶体结构很难被模拟,同时又因为应变率的波动而呈现出很强的非线性特征。

    高速撞击过程会给冰雹粒子产生较大的应变率,而应变-应力曲线的不明确性使其本构模型很难描述,材料参数不易获取。

    冰雹撞击地面模拟实验较为困难。主要体现在自然冰雹为多晶结构,而实验室人工模拟冰雹多为单晶,两者力学属性差异性较大。此外,真实撞击中为多冰雹大面积连续撞击过程,很难在实验室环境中进行模拟。

6我们的研究能力怎么样

抗冰撞性能行不行?航空强度所来测评

我国航空事业正处在高速发展快车道,将冰雹撞击影响降到最低是关系到国民经济的现实课题,开展相关研究将会对飞机的设计需求、整机性能、安全防护等方面产生积极意义。

在实验能力方面,强度所自主创新设计了冰雹撞击实验系统,填补了航空工业在研究冰雹撞击研究实验能力的空白;掌握了实验室人工模拟冰雹制备技术,广泛应用结构抗冰撞测试与验证。目前该系统飞机结构、发动机抗冰雹撞击验证等方面取得广泛应用。

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图4

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图5

    在分析水平方面,强度所开展了如下方面的工作:建立冰雹动态本构;建立冰球数值模型,模型可靠性得到试验确认和验证;进行了大量冰雹撞击飞机结构动响应的数值分析,有力支撑结构抗冰雹撞击设计评估。

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图7(a)拉格朗日方法

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图8(b)欧拉 方法

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图9(c)光滑粒子动力学(SPH) 方法